【正文】 如圖 310 所示， PWM1 和 PWM2 分別為兩個半橋的控制端口。為此，系統(tǒng)采用兩片專用半橋驅(qū)動芯片 BTS7960 構(gòu)成全橋式驅(qū)動電路。主控單片機(jī) MC9S12XS128 的 ATD 模塊最高采集精度為 12bit， AD 基準(zhǔn)電壓為 ，計(jì)算得出最小分辨電壓為 ，因此不能直接對陀螺儀輸出信號進(jìn)行采集，需要設(shè)計(jì)放大電路。 LM2940 是一種線性低壓差三端穩(wěn)壓器件，其輸出紋波較小，適合單片機(jī)供電。 VCCVCCC11S1SWPBBKGD RESET1 23 45 6BDMINHeader 3X2R251R3R4100 圖 35 復(fù)位及 BD M 接口電路 BDM 接口是 S12 單片機(jī)用來連接 BDM 調(diào)試器的， BDM 接頭通常設(shè)計(jì)為 6 針的雙排插頭，其中 4 個引腳分別為 VDD,RESET,GND 和 BKGD(BACKGROUND)，另外 2 個針腳為空（如圖 35）。對于 S12XS 芯片，允許使用的最高總線頻率為 40MHz。 MC9S12XS128 的異步串行接口 SCI有兩個，可選用普通非歸零碼或 歸零碼；支持 LIN 總線協(xié)議；有一個同步串行外設(shè)接口 SPI。 二、通用寄存器 S12X 系列單片 機(jī)的中央處理器 CPU12X 由以下三部分組成：算術(shù)邏輯單元 ALU、控制單元和寄存器組。該單片機(jī)是飛思卡爾公司的 16 位 HCS12 系列單片機(jī)，簡稱 S12 系列。對小車進(jìn)行受力分析，構(gòu)建了小車的運(yùn)動模型并提出了小車的運(yùn)動微分方程。 卡爾曼 濾波 器 是一種高效率的遞歸濾波器 (自回歸濾波器 )， 能夠從一系列的不完全及包含噪聲的測量中，估計(jì)動態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)。國外有研究者根據(jù)加速度計(jì)與陀螺儀的互補(bǔ)特點(diǎn)研究出互補(bǔ)濾波算法，其簡單明了并且具有較好的實(shí)時性與穩(wěn)定性，能夠較好的融合出姿態(tài)角度。 圖 210 加速度計(jì) MMA7260 加速度計(jì)可以直接通過反三角函數(shù)計(jì)算出小車傾斜角度，但是其對震動非常敏感，輸出值中含有大量噪聲，而且其輸出的值是小車運(yùn)動加速度與重力加速度的混合數(shù)據(jù)。 300deg/sec(度每秒 )，靈敏度為 。 MEMS 慣性器件具有體積小，耐沖擊，壽命長，可靠性高，成本低等特點(diǎn)， 非常適于構(gòu)建微型捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。因此上面系數(shù) 1k ， 2k 分別 稱為比例和微分控制參數(shù)。根據(jù)奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)可知系統(tǒng)不穩(wěn)定 ，因此小車在靜止?fàn)顟B(tài)不能保持平衡 [5][6]。測量系統(tǒng)需要控制 的變量，與期望值相比較，用這個誤差糾正調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的響應(yīng)。為提高倒立擺調(diào)整 時間，需要加入阻尼力。在非慣性參考系中，由于慣性的存在，物體會受慣性力。因而存在一個臨界阻尼系數(shù)，使單擺穩(wěn)定在平衡位置 所需 時間最短。在此回復(fù)力的作用下，單擺進(jìn)行 周期運(yùn)動。由于小車只依靠兩個車輪著地，車輪與地面會發(fā)生相對滾動使得小車傾斜。為了避免影響車模平衡控制，這個車模傾角的改變需要非常緩慢的進(jìn)行。 三個子系統(tǒng)各自獨(dú)立進(jìn)行控 制。 常熟理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 2. 系統(tǒng)原理分析 控制系統(tǒng)要求分析 根據(jù)系統(tǒng)要求，小車必須要能夠在無外界干預(yù)下依靠一對平行的車輪保持平衡，并完成前進(jìn)，后退，左右轉(zhuǎn)彎等動作。 (4) PID 控制算法：包括兩路閉環(huán)控制。在遇到外界干擾如何快速恢復(fù)，保持自平衡等問題是控制算法需要考慮的問題。然而通常的動力學(xué)建模方法沒有考慮電機(jī)轉(zhuǎn)動，車身震動對模型的影響。 當(dāng)今唯一市場化的兩輪自平衡電動車，如圖 11 所示，在 2021 年上市以來就備受各界的關(guān)注。 兩輪自平衡機(jī)器人的概念正是在這樣一個背景下提出來的，這種機(jī)器人區(qū)別于其他移動機(jī)器人的最顯著的特點(diǎn)是：采用了兩輪共軸、各自獨(dú)立驅(qū)動的工作方式 (這種驅(qū)動方式又被稱為差分式驅(qū)動方式 )，車身的重心位于車輪軸的上方，通過輪子的前后移動來保持車身的平衡，并且還能夠在直立平衡的情況下行駛。 46 參考文獻(xiàn) 45 6. 總結(jié)與展望 29 串行通信模塊（ SCI）初始化設(shè)置 28 鎖相環(huán)初始化 28 單片機(jī)初始化軟件設(shè)計(jì) 27 25 編碼器介紹 22 電機(jī)驅(qū)動電路設(shè)計(jì) 12 加速度計(jì) 5 平衡控制原理分析 2 姿態(tài)檢測系統(tǒng) 1 兩輪自平衡車的關(guān)鍵技術(shù) 整個系統(tǒng)制作完成后， 各個 模塊 能 夠正常并 協(xié)調(diào)工作 ，小車可以在無人干預(yù)條件下實(shí)現(xiàn)自主平衡。同時在引入適量干擾情況下小車能夠自主調(diào)整并迅速恢 復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)。 5 控制系統(tǒng)要求分析 12 陀螺儀 14 本章小結(jié) 22 IV 加速度計(jì)電路設(shè)計(jì) 25 編碼器電路設(shè)計(jì) 由于特殊的結(jié)構(gòu)，其適應(yīng)地形變化能力強(qiáng)，運(yùn)動靈活，可以勝任一些 復(fù)雜環(huán)境里的工作?？ㄩT觀察人類走路的姿勢特性，領(lǐng)悟到其實(shí)人類之所以可以平穩(wěn)地直立行走，是因?yàn)轶w內(nèi)靈敏的平衡器官可以精確地判斷出身體重心的改變量，透過小腦的即時反應(yīng) ，然后利用腿部的肌肉即時出力來平衡傾倒的態(tài)勢。并且兩輪子平衡車是本質(zhì)不穩(wěn)定的非線性系統(tǒng)，因此建模必須考慮線性化問題。傳統(tǒng)的 PID 控制在各類工業(yè)場合有著廣泛的應(yīng)用，完全可以滿足兩輪自平衡車的控制系統(tǒng)要求。小車的傾角閉環(huán)控制以及直流電機(jī)的閉環(huán)速度控制。分析系統(tǒng)要 求 可知，保持小車直立和運(yùn)動的動力都來自于小車的兩只車輪，車輪 由兩只直流 電機(jī)驅(qū)動。由于最終都是對同一個控制對象（小車的電機(jī)）進(jìn)行控制，所以各個子系統(tǒng) 之間存在著耦合。其中平衡控制是系統(tǒng)的最基本要求 ， 也是整個控制系統(tǒng)的難點(diǎn)。而小車上裝載的姿態(tài)檢測系統(tǒng)能夠?qū)π≤嚨膬A斜狀況進(jìn)行實(shí)時檢測，通過控 制器控制車輪轉(zhuǎn)動，抵消在這個維度上的傾斜力矩便可以 保持小車平衡， 如圖 22 所示 。由于空氣阻力的存在，單擺最終會停止在平衡位置。 對靜止的一級倒立擺模型進(jìn)行受力分析（不考慮車輪與地面 的滾動摩擦力），如圖 25所示。 通過控制 倒立擺底部車輪 ，使其做加速運(yùn)動。增加的阻尼力與偏移角速度成正比，方向相反， 因此式（ 25）可變?yōu)椋? 12F m g m k m k? ? ? ?? ? ? （式 26） 這樣車輪需要提供的加速度即為： 12a mk mk????? （式 27） 式中 ? 為傾角， ?? 為傾角速度， 1k 、 2k 為比例系數(shù)。在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱 PID控制，又稱 PID 調(diào)節(jié)。 由小車受力分析可知小車平衡的條件是提供額外的回復(fù)力及阻尼，其來源為車輪與地面的摩擦力。其中微分參數(shù)相當(dāng)于阻尼力，可以有效抑制自平衡車 振 蕩。本系統(tǒng)采用 MEMS 加速度計(jì)和陀螺儀構(gòu)成自平衡車的姿態(tài)檢測系統(tǒng)。 圖 29 陀螺儀 ENC03 陀螺儀直接輸出角速度，將角速度進(jìn)行積分便可以得到角度。因此不能直接使用?？紤]到本系統(tǒng)使用的慣性器件特性較差，互補(bǔ)濾波在本質(zhì)原理上不能彌補(bǔ)器件特性缺陷， 故 本系統(tǒng)采用 卡爾曼 濾波算法作為數(shù)據(jù)融合方法?？柭鼮V波器不僅能估計(jì)信號的過去和當(dāng)前狀態(tài)，甚至能估計(jì)將來的狀態(tài)。解算出小車運(yùn)動控制的傳遞函數(shù)并利用自動控制理論進(jìn)行了分析，設(shè)計(jì)了兩輪自平衡車的 PID 控制器。MC9S12XS128 是 HCS12 系列的增強(qiáng)型產(chǎn)品。通常外部采用 8MHz 或 16MHz 石英晶體振蕩器，可通過內(nèi)部鎖相環(huán)使片內(nèi)總線速度提升到最高 120MHz， 尋址方式有 16 種。 MC9S12XS128 的 J、 H 和 P 口有位輸入信號跳變沿產(chǎn)生中斷、喚醒 CPU 功能，根據(jù)封裝，最多可有 20 個帶位中斷的引腳。本設(shè)計(jì)中采用的外部晶振為 16MHz，電容 C11 和 C12為外部時鐘的起振電容。 電源管理模塊設(shè)計(jì) 可靠的電源方案是整個硬件電路穩(wěn)定可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)。 電源采用 AMS1117。系統(tǒng)采用 LM358（圖 38 U1B）設(shè)計(jì)負(fù)反饋放大電路，放大倍數(shù)為4 13RR? ，即放大 10 倍。由單片機(jī)的 PWM 模塊產(chǎn)生驅(qū)動波形， 通過改變 PWM 占空比實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的調(diào)速功能。當(dāng) PWM1 為高電平，PWM2 為低電平時 ， MOTOR1 口即輸出高電壓， MOTOR2 輸出低電壓，此時電機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng) PWM1 為低電平而 PWM2 為高電平時 ， MOTOR1 口即輸出低電壓， MOTOR2 輸出高電壓，此時電機(jī)反轉(zhuǎn)。 由于電機(jī)啟動瞬間電流很大，會將整個系統(tǒng)電壓拉低，造成其他設(shè)備如單片機(jī)的工作不正常，因此要在電池電源輸入側(cè)加上較大濾波電容。由于兩輪自 平衡車在平衡過程中需要不斷前后運(yùn)動調(diào)整車身姿態(tài)，因此需要電機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)雙向轉(zhuǎn)動。 XOUT15YOUT14ZOUT13SLEEP12gs_11g_s22VCC3GND4MMA7260GNDGNDACC_XACC_YACC_Z 圖 37 加速度計(jì) MMA260 接口電路圖 陀螺儀放大電路設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)采用的陀螺儀為村田公司 ENC03，是一種低成本壓電式陀螺儀，其輸出為。 整個系統(tǒng)電源來源為 鎳氫電池， 5V 電源由 LM2940 提供。手動復(fù)位時，按下手動復(fù)位按鈕， RESET 端保持低電平，單片機(jī)復(fù)位；釋放手動復(fù)位按鈕后， RESET 端輸出高電平，單片機(jī)工作。通過控制器內(nèi)的鎖相環(huán)電路（ PLL）進(jìn)行倍頻，其壓控振蕩器（ VCO）的頻率最高可達(dá) 80MHz。 MC9S12XS128 的脈寬調(diào)制模塊（ PWM）可設(shè)置成 8 通道 8 位或者 4 通道 16 位，占空比可編程，脈沖波形可中心對齊或邊緣對齊。 圖 32 MC9S12XS128 單片機(jī)功能模塊示意圖 一、 MC9S12XS128 主要特性 1）最高總線速度 從 25MHz 提升到 40MHz； 2）增加 GPage、 RPage、 EPage 頁面寄存器，可以實(shí)現(xiàn) 8MB 存儲空間連續(xù)尋址； 3）以內(nèi)存代替 EEPROM,編程簡化； 4）電源供電簡化，不在需要外部 PLL濾波電路器件； 5） A/D 從 10 位精度升為 12 位精度； 6）內(nèi)部有容錯、糾錯功能 ECC； 7） CCR 由 8 位改為 16 位，增加 3 個優(yōu)先級位，將中斷源細(xì)分為 7 級； 8） SPI 支持 16 位操作； 9）有存儲保護(hù)設(shè)置、定時器功能增強(qiáng)，有四通道 24 位周期中斷定時器； 10）不再支持模糊邏輯指令。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)圖如下： 主 控 制 器M C 9 S 1 2 X S 1 2 8加 速 度 計(jì)M M A 7 2 6 0陀 螺 儀E N C 0 3角 度角 速 度串 口 通 訊m a x 2 3 2H 橋 電機(jī) 驅(qū) 動直 流電 機(jī)測 速 模 塊編 碼 器 圖 31 硬件設(shè)計(jì)總體框圖 MC9SXS128 單片機(jī)介紹 本系統(tǒng)采用飛思卡爾公